Progettazione del convertitore
6.2 Modellizzazione del convertitore
6.2.3 Riepilogo e confronti
Progettazione del convertitore
Il rendimento massimo è pari a 99.75% in corrispondenza di una corrente di 600 𝐴, equivalente al 25% del pieno carico considerato per la batteria in esame.
6.2 – Modellizzazione del convertitore
Figura 6.32: Confronto dei rendimenti dei transistor analizzati per il convertitore del sistema HE.
Figura 6.33: Confronto dei rendimenti dei transistor analizzati per il convertitore del sistema HP.
A conferma di quanto ottenuto nel paragrafo precedente e riassunto in Tabella 6.4 si possono raggiungere gli stessi risultati attraverso un approccio alternativo: fissando la temperatura di giunzione, quindi le perdite, il dissipatore ed il ripple di corrente sull’induttanza e da questi confrontare i risultati di induttanza e frequenza ottenuti con
Progettazione del convertitore
l’utilizzo del modulo a IGBT e quello a MOSFET.
Come esempio sono stati usati i requisiti del convertitore per la batteria 𝐻 𝐸 .
Il primo modulo analizzato è stato quello a IGBT mettendo in relazione la temperatura di giunzione con la frequenza di commutazione, considerando le perdite sull’induttanza nulle e quindi non influenti sulla temperatura. Fissando:
• La temperatura di giunzione a 130𝑜𝐶;
• la resistenza termica del dissipatore a 0.005 𝐾/𝑊;
• il ripple di corrente al 10%.
Il diagramma è mostrato in Figura 6.34:
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Frequenza [Hz] 104
0 50 100 150 200 250
Temperatura [o C]
Temperatura di giunzione in
funzione della frequenza di commutazione (L=1mH)
TIGBT TMOSFET T progetto
Figura 6.34: Temperatura dei transistor analizzati in funzione della frequenza di commu-tazione.
La frequenza di commutazione corrispondente a 130𝑜𝐶 è di 4000 𝐻𝑧.
Ora si analizza il secondo parametro: il ripple sull’induttanza.
Vengono mostrati in Figura 6.35 gli andamenti del ripple per vari di induttanze in funzione della frequenza:
6.2 – Modellizzazione del convertitore
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Frequenza [Hz]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Ripple corrente [A]
Ripple di corrente in
funzione della frequenza di commutazione
L=1mH L=2mH L=3mH L=0.7mH L=0.5mH
Figura 6.35: Ripple di corrente in funzione della frequenza di commutazione.
Dal grafico, in corrispondenza di 4000 𝐻𝑧 sono possibili induttanze superiori a 1 𝑚𝐻 per garantire un ripple di corrente inferiore al 10%; ma considerando un’applicazione reale,tipicamente minore è l’induttanza e minori perdite ci sono, per cui la scelta è rica-duta su quella da 1 𝑚𝐻.
Si passa ora ad esaminare il modulo con MOSFET SiC e, con gli stessi dati fissati in precedenza, si ottiene una frequenza di lavoro di 13.000 𝐻𝑧 come mostrato nella Figura 6.34.
Dal grafico di Figura 6.36, in corrispondenza di 13.000 𝐻𝑧, sono possibili induttanze superiori a 0.3 𝑚𝐻 per garantire un ripple di corrente inferiore al 10%; considerando un’applicazione reale, tipicamente minore è l’induttanza e minori perdite ci sono, per cui la scelta è ricaduta su quella da 0.3 𝑚𝐻.
Progettazione del convertitore
0.5 1 1.5 2 2.5 3
Frequenza [Hz] 104
0 10 20 30 40 50 60 70
Ripple corrente [A]
Ripple di corrente in
funzione della frequenza di commutazione
L=0.1mH L=0.3mH L=0.5mH L=1mH
Figura 6.36: Ripple di corrente in funzione della frequenza di commutazione.
Riassumendo, considerando 130 𝑜𝐶 di temperatura sulla giunzione dell’IGBT e del MOSFET, nel primo caso si arriva ad una frequenza di 4000 𝐻𝑧 contro i 13.000 𝐻𝑧 del secondo; il modulo a MOSFET può quindi lavorare a più di 3 volte la frequenza del modulo a IGBT, questo comporta ad avere una larghezza di banda di 400 𝐻𝑧 contro i 1300 𝐻𝑧.
Avere una banda maggiore comporta ad avere tempi di risposta minori durante la com-mutazione e quindi minore dissipazione, come mostrato in precedenza. Inoltre avere una banda maggiore comporta ad avere possibilità di taglio delle armoniche a frequenze più bassa dei disturbi.
Spesso nelle applicazioni reali vengono utilizzati dei condensatori in parallelo in ingres-so e uscita, nel primo caingres-so per compensare degli effetti parassiti di tipo induttivo che, a causa dell’andamento impulsivo della corrente in ingresso durante la modalità in discesa, potrebbero causare delle sovratensioni; mentre il secondo serve per livellare la tensione in uscita.
• Avendo due frequenze di commutazione diverse, a parità di impedenza, posso avere una capacità minore con una frequenza maggiore;
• minor stress sui componenti reattivi 𝐶𝑜𝑢𝑡, 𝐶𝑖𝑛e 𝐿 poiché dalla Formula 6.6 il ripple è inversamente proporzionale alla frequenza di commutazione.
Capitolo 7
Modello finale del sistema batteria e convertitore
In conclusione è stata svolta una simulazione sul programma Simulink, sempre in riferimento al profilo del Peschereccio tipo 1 considerando la batteria collegata al conver-titore (sia per il sistema ad alta energia sia per il sistema ad alta potenza) e come profilo di potenza quello ottenuto dalla simulazione Matlab del Capitolo 5 (riportato in Figura 7.2) per avere una visione complessiva di tensioni, correnti, potenze e andamento del rendimento totale del sistema batteria + convertitore.
Figura 7.1: Schema Simulink del sistema batteria e convertitore
Le celle utilizzate per la costruzione delle batterie sono quelle dell’articolo [1], con le caratteristiche fondamentali riportate in Tabella 7.1.
Modello finale del sistema batteria e convertitore
Per la costruzione della batteria 𝐻 𝐸 sono stati inseriti 33 moduli, ognuno costituito collegando 48 celle in parallelo e 5 serie di paralleli.
Invece per la batteria 𝐻 𝑃 sono stati collegati 33 moduli, ognuno costituito da 50 celle in parallelo e 8 in serie di paralleli.
Tabella 7.1: Caratteristiche principali delle celle scelte Batteria HE Batteria HP
Capacità max [Ah] 50 23
𝑉𝑛𝑜𝑚 [V] 3.65 2.3
𝐶𝑟 𝑎𝑡 𝑒 1 4
𝑅𝑖𝑛𝑡[𝑚Ω] 0.7 1.2
Peso [kg] 0.885 0.55
Nel modello del convertitore 𝐻 𝐸 e 𝐻 𝑃 sono state implementate le mappe di rendi-mento calcolate su Plecs utilizzando i moduli a Mosfet SiC. Il controllo del convertitore utilizza come retroazione la corrente sull’induttanza, come mostrato in Figura 7.1.
Come riferimento viene riportato il profilo di potenza calcolato tramite Matlab:
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tempo di viaggio [s] 104 -2000
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500
Potenza erogata [kW]
Profilo di potenza erogata dal pacco batteria potenza HE potenza HP
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Tempo di viaggio [s]
-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500
Potenza erogata [kW]
Profilo di potenza erogata dal pacco batteria potenza HE potenza HP
Figura 7.2: Profilo di potenza dei pacchi batterie
I risultati ottenuti sono di seguito descritti, il range temporale è limitato intorno a 3500 𝑠 perché dagli istanti temporali successivi gli andamenti mantengono la ripetitività e andrebbero solo a peggiorare la visualizzazione dei grafici.
In Figura 7.3 sono mostrate le tensioni in uscita dalle batterie 𝐻 𝐸 e 𝐻 𝑃. Si può notare che per 𝐻 𝐸 la tensione, nel tratto iniziale, non è 600 𝑉 ma 545 𝑉 , questo è dovuto alla resistenza interna della batteria, non considerata su Matlab ma utilizzata sul modello
Modello finale del sistema batteria e convertitore
Nel tratto successivo la differenza di potenziale supera i 600 𝑉 poiché siamo in un range di rigenerazione e per fare fluire la corrente nel verso opposto è necessario avere una tensione maggiore rispetto a quella che fornisce la batteria.
In uscita dal convertitore invece la tensione è fissa a 1000 𝑉 .
Figura 7.3: Andamento della tensione di uscita dalle batterie
In Figura 7.4 viene mostrato l’andamento della corrente in uscita dalla batteria, ossia in ingresso al convertitore ed in Figura 7.5 è riportata la corrente in uscita da esso, cioè sul carico:
Figura 7.4: Andamento della correnti nelle batterie
Modello finale del sistema batteria e convertitore
Figura 7.5: Andamento della correnti sul carico
Si possono notare due valori differenti di corrente in ingresso ed uscita dal convertitore, ciò è dovuto alla conservazione della potenza tra ingresso e uscita a meno delle perdite.
Le perdite dei pacchi batteria e dei convertitori vengono riportati rispettivamente in Figura 7.6 e 7.7:
Figura 7.6: Andamento delle perdite nelle batterie
Modello finale del sistema batteria e convertitore
Figura 7.7: Andamento delle perdite nel convertitore
L’andamento dello stato di carica delle batterie è riportato in Figura 7.8; si vede che la batteria 𝐻 𝑃 ha una curva tendenzialmente decrescente dovuta alle perdite, non considerate nel modello Matlab, che non vengono compensate tramite la ricarica perché la priorità di rigenerazione è assegnata alla batteria 𝐻 𝐸 e solo in caso di esubero l’energia verrebbe trasferita verso quella 𝐻 𝑃.
Figura 7.8: Andamento del SOC delle batterie
Gli andamenti dei sistemi 𝐻 𝐸 , 𝐻 𝑃 e totale sono illustrati nella Figura 7.9 e si rileva che il rendimento del sistema 𝐻 𝐸 è minore di quello 𝐻 𝑃 dovuto al fatto che la resistenza equivalente interna delle celle ad alta energia sono maggiori rispetto a quelle ad alta potenza, conseguenza del numero e costituzione dei moduli.
Modello finale del sistema batteria e convertitore
Figura 7.9: Rendimento globale e dei sistemi HE e HP